浅谈化学材料的表面处理
何笑薇
化学工程与装备
摘 要：化学表面处理技术是指运用技术手段将所要改进的物件表面进行化学性质上的改变，如通过在物件表面进行涂层，电解或进行化学反应的方式改变物件表面化学组成等方法进行物件的表面处理。作为化学的一个分支学科，化学材料表面处理在近半个世纪以来得到了长足的发展。本文着重介绍了金刚石薄膜涂层技术、化学镀技术、热喷涂技术、激光表面处理技术等多个表面处理技术的特点和各自的优缺点，介绍了化学材料表面处理的应用对象。
关键词：化学材料；表面处理；技术
引言
化学材料的表面处理是20世纪60年代之后发展的一门化学分支，它从原子的角度解释表面的化学组成和性质间关系，是表面工程学中的一个重要的学科。现代的化学材料表面处理是一种跨学科、跨行业的综合性领域，其中包含着表面物理、等离子物理、有机化学、无机化学、表面化学、热传递等多门学科，各学科之间相互交融、相互完善、相互补充。通过对于材料表面的物理和化学处理改进化学材料的化学成分或组成结构，以此来提高工业原料的耐高温性、防腐蚀性、抗磨损性、导电性和导磁性等方面的性能，从而提高工业材料的技术水平和工作性能，提高了工业材料的使用效率和使用寿命，以应对如高温、浓腐蚀等环境下的工作状况，具有极高的应用价值和经济意义。化学材料的表面处理大体包含以下几个方面：材料热处理、激光涂层、非金属涂层等。
随着全球工业和产品的技术升级发展，对材料表面的表面改性和涂层的技术需求强度增高，为了满足国内外高速的科技发展带来的对材料表面特殊性能的高标准要求，化学材料的表面处理发展出了最新的技术，在不同的方面均有大幅度的突破进展。本文着重介绍几种常见的化学材料的表面处理技术。
1 化学材料表面处理的技术
1.1 金刚石薄膜涂层技术
金刚石薄膜涂层技术是化学材料的表面处理研究的重点技术，这一技术在制作刀具、模具、电子元件和半导体上均有良好的效果。由于金刚石具有很高的硬度，在所制作的工具如刀具上涂上一层金刚石薄膜可以有效地提高工具的硬度水平，可以使得表面处理后的工具进行一些高强度的工作，满足一些改进前无法满足的特殊工作任务。
该技术的具体实施方法为：获取一层金刚石薄膜或类金刚石薄膜，通过化学反应分理出离子态碳，然后在所要涂盖的物体上使离子态的碳重新晶体化，使得金刚石或类金刚石能够焊接在工具表面。实际操作中，由于石墨的来源更多、成本更低，使用类金刚石薄膜进行涂层的情况更为普遍。
由于金刚石硬度高的这一物理特性，造就了金刚石薄膜涂层技术有着极其光明的应用前景，西方发达国家对这一技术均有着大量的理论和实践研究，并通过研究所得的成果不断改进该技术，大大提高了金刚石薄膜和工业材料间的结合程度，生产出大量相关设备并提供给国际市场。而我国在该技术的研究和发展上明显处于劣势，并未有较深入的前沿性研究和实践性成果，没有形成该技术的产业化。
对于我国在该项目研究上所处的劣势，应加大规模开展金刚石薄膜涂层的工艺技术的理论和实践研究，在研究金刚石和所改善材料的物理、化学特性的基础上设计并研发出相应的设备，以理论支持实践，产出高水准的涂层工具。
1.2 化学镀技术
化学镀技术是指在无电源通电的条件下，使用化学液体将金属部件或非金属部件沉积在具有相应浓度的化学沉积液中，通过催化还原的反应将镀层均匀地镀在物体表面的化学表面工程处理技术。
化学镀技术由于其无需电源的电流输出，而是自身的催化还原反应，所以结果不受通电情况的影响，在一些无定型的工件上也能够镀出均匀的厚度，同时由于化学反应是在不间断地进行的，可以通过调节沉积液中离子的含量来控制镀层的厚度，处理方式简洁而精确。同时，通过这种方式进行的表面处理具有很强的致密性，耐磨性强，还可以通过这种方式进行特定化学或物理特性的物件的制作。
1.3 热喷涂技术
热喷涂技术的出现已近一个世纪，其中的技术、设备、材料等都有着一个完全的发展。热喷涂技术的原理是通过加热喷涂材料使之液化或软化，然后通过高速热源气流将液化或软化的喷涂物喷射在物件表面，使喷涂物在物件表面互熔、扩散的一种表面处理技术。
如今，热喷涂技术有了很大的提高，从一般的装饰性用途到改善物件功能，从单层喷涂到多层喷涂，从旧物件的修补到新物件的升级，热喷涂技术正朝着方法多样、工艺快捷、提升物件性能的方向高速发展。
根据不同的热源和不同的喷涂状态可以将热喷涂技术分为以下3种具体种类：火焰喷涂、电弧喷涂和等离子喷涂。
1.3.1 火焰喷涂技术
火焰喷涂技术分为3种：
（1）普通火焰喷涂: 以氧气为燃料，将喷涂材料加热，并用高速气流将融化或半融化的喷涂材料喷到物件表面，形成喷涂层。
（2）爆炸喷涂：在喷枪内冲入按一定比例混合的氧气和乙炔，将氮和喷涂物混合送入喷枪，发动火花塞点火，使氧气和乙炔气体发生爆炸，将喷涂物加热喷出，覆盖在物件表面。
（3）超音速火焰喷涂：使用特殊的火焰喷枪，通过高温高速的火焰来喷涂喷涂物材料。
1.3.2 电弧喷涂技术
（1）普通电弧喷涂：使用电弧为喷涂物加热，将熔化的金属丝用高速气流雾化，从而喷射到物件表面的最基础的电弧喷涂技术。
（2）超音速电弧喷涂: 将电弧喷涂的速度提高到超音速水平，是在普通电弧喷涂技术基础上，通过改进电弧喷枪和电源, 新开发的一种电弧喷涂技术，这种技术在普通电弧喷涂技术的基础上改善了涂层的厚度和均匀度，改善了喷涂的质量。
（3）等离子喷涂：将热源改为等离子，使喷涂的效果更好。
1.4 激光表面处理技术
激光表面处理的技术的发展已有近半个世纪的时间，近10年间，激光处理技术发展迅猛，大有独占表面处理技术市场之势。激光表面处理技术是指通过大功率激光束打在材料表面，对其加热，使之形成特定的处理层，以此来改善材料的化学性能和物理性能，从而提高工作物件的工作能力。
激光是一种特殊的电磁波，它的相位一致、波长等长、方向精确，它可以加热物件表面，使之熔化从而改变物件表面性质。激光和金属间的相互作用可以分为以下几个阶段：激光吸收、传导热量、改变表面性质和激光减退。
大功率激光器的出现加速了激光表面处理技术的发展，激光技术进入多领域发展水平，一些具有应用前景的表面处理工作均由激光来完成，激光技术也向着复杂和多样化发展，出现了：激光硬化、激光合金化、激光熔敷技术、激光非晶化等多种激光表面处理技术。
激光表面处理技术主要有以下几个优点：（1）对能量的传递方便，可以选择性地对物件进行特定部位的处理，精确性更强。（2）由于激光的影响区域小，能量集中，所以处理时间短，效果好，成本低，同时对非加工区域的影响很小。（3）可以处理一些外形复杂的物件。
1.5 电镀法
电镀法的应用范围遍及工业中的许多领域，其中最为普及的是金属装饰这一领域。同时，电镀法还可用于制备特殊合金，以加强金属的导电性和磁性。
不同于其他表面处理方法，电镀法对物件本身的物理和化学性质有着一定的要求。首先是物件应平整，如果物件没有平整的表面，电镀法将很难做到镀层的厚度均匀，无法达到电镀后的物件平整。其次，物件要先进行除锈处理，在金属表面有锈迹的情况下，电镀法无法起到较好的效果。
当今工业中，镀铜、镀锌等电镀技术发展地比较完善，应用比较广泛。同时，产生了许多新型的电镀技术。例如产生了从阴极同时析出两种或以上的镀层的技术，非晶态电镀的技术和非金属的电镀技术，不通入电流的无电流电镀技术等等。新型技术和新型设备，使得电镀技术向着多样化、系统化的方向发展，扩大了电镀法的应用范围。
1.6 化学转化膜技术
转化膜是指要涂在金属表面的介质阴离子和金属原子的反应结合从而在金属表面形成的一层未定的化学反应膜，它可以通过电化学的手段认为地形成加工。形成的化学膜层是绝缘的，因此化学转化膜技术经常运用于绝缘材料的制造工业，亦可用于作为涂装的底层，具有很高的应用价值。
1.7 表面扩散渗入技术
该技术是将物件放入介质中，将介质中的金属或非金属渗透到物件表面中。表面渗透技术的优点在于渗透这一方式有别于如电镀、热喷涂等其他技术是通过将元素覆盖在物件表面的方式，而是使元素直接进入物件中，运用这种方式获得的新物件，渗透元素和原有物件间的结合是无分层的，它的组成成分和化学物理性能是渐进变化的，使镀层和旧物件有更好的融合度和更加整体化的化学物理特征。同时，两个成分之间相互作用力更为紧密，脆性也不如直接镀鉻上的物件高，在较大的外力作用下也不会出现分离的情况。以下简单介绍表面渗碳和表面渗氮这两种技术的运用。
（1）渗碳技术：将物件浸入渗碳介质中，对其进行加热，取出后经过淬火和低温回火，将碳渗入物件之中，以增强物件表面硬度、耐磨程度以及内部韧性，增加物件的使用寿命和使用强度。
（2）渗氮技术：该技术是将氮元素渗入物件内部，形成物件的高硬度、高耐磨性的新的特性。该技术主要将氮元素渗入特定钢上，并且所需工作周期长，因此该技术的运用并不广泛。
1.8 化学气相沉积法（CVD）
化学气相沉积法是获得固态薄膜镀层的有效方法之一，该方法是通过气态的物质在物件表面上发生反应并沉积在物件表面上的一种技术。运用该技术，可以制作出纯度较高的固态薄膜，因此此法是制作该种类镀层的最普遍方式。
不过，此法亦有不足之处有待完善，如对温度的要求较高，而过高的温度又恰恰易导致零件物理性质上的变化，降低物件本身的工作性能，同时，由于高温的缘故，沉积物可与物件发生化学反应，增加了材料的脆性，易造成材料的断裂。
2 结论
随着工业技术的不断发展，化学材料的表面处理技术正朝着技术多面化、研究深入化、设备先进化、要求全面化的方向发展，了解表面处理的相关技术，从而能够根据工作的具体需求运用相应的技术进行材料的表面处理是在处理之前的最基本要求，我们应正确认识本文提到的几个基本的表面处理方法，以运用到具体的化学处理实践中去。
参考文献略
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